Trabajos de laboratorios.
Enviado por acblopez • 1 de Abril de 2017 • Trabajos • 2.955 Palabras (12 Páginas) • 371 Visitas
Fases de la Secuenia didáctica | Guión |
Planteamiento del problema | |
En la fase de planteamiento y percepción del problema el profesor plantea y contextualiza el problema objeto de resolución. | [pic 1] Actividad N° 1 Lee el siguiente artículo Beber agua de mar: Las membranas poliméricas para la desalinización Hoy en día, más de mil millones de personas están sufriendo la falta de agua potable. Cerca de 2,300 millones de personas —el 41% de la población mundial— viven en regiones con escasez de agua, cifra que se estima en 3,500 millones para 2025.1 El 96,5% del agua del mundo se encuentra en los mares y océanos, y el resto se encuentra formando capas de hielo, agua salobre, y en fuentes de agua dulce: lagos, ríos y aguas subterráneas. Para superar los problemas de escasez de agua, se han aplicado métodos tales como el embalsado del agua y la construcción de presas durante varios años, pero no son suficientes para responder al aumento de la demanda de agua y paliar la disminución de fuentes de agua dulce.2 El agua es también muy importante para la generación de energía, y viceversa. El mayor porcentaje de producción de electricidad en EE.UU. procede de la generación de energía termoeléctrica, donde se utilizan generadores de turbinas a vapor para producir electricidad. En el año 2000, las plantas termoeléctricas utilizaban un 39% de todas las fuentes de agua dulce en los Estados Unidos.3 Todas estas razones hacen de la producción de agua potable un problema generalizado en todo el mundo. La desalinización Dado que la mayoría de la oferta mundial de agua se encuentra en los océanos y mares, la desalinización es el proceso que elimina sales y minerales, ya sea del mar o del agua salobre, a fin de hacerla segura para el consumo y uso humano. Los procesos de desalinización más comúnmente utilizados se dividen en dos categorías principales, los procesos térmicos de destilación y los procesos con membranas desalinizadoras. La desalación a través de métodos de destilación térmica, que separan mezclas líquidas a partir de sus diferentes puntos de ebullición, se clasifican básicamente en tres categorías: multi-etapa flash (MSF), destilación multi-efecto (MED) y compresión mecánica de vapor (MVC). Los procesos térmicos de destilación producen la evaporación de agua dejando la sal en forma de una salmuera concentrada. Los países de Oriente Medio utilizan sobre todo plantas de desalinización térmica para producir agua dulce gracias a sus fuentes de combustibles fósiles fácilmente accesibles.2, 4 Las separaciones basadas en membranas son la opción principal de producción de agua potable en los países fuera de Oriente Medio. Más del 50% de las plantas de desalinización instaladas recientemente han utilizando tecnología de membrana de ósmosis inversa (RO) desde 2001.2 Las separaciones mediante membrana Una membrana es una interfase entre dos fases adyacentes que actúa como una barrera selectiva, regulando el transporte de sustancias entre los dos componentes. Es una película muy fina que permite el paso de algunos tipos de sustancias, mientras que impide el paso de otros, en función de sus tamaños. La utilización de membranas para la tecnología de separación hizo necesario el desarrollo de un área interdisciplinar que integra diversos campos de la ciencia y la ingeniería, tales como la química, la ingeniería química, ciencia de materiales, ingeniería de procesos, ciencias ambientales, ecología y economía.5, 6 Hoy en día, la industria de la membrana es impresionantemente grande. El mercado de la tecnología de separación con membranas está muy diversificado e incluye áreas que van desde la medicina hasta la industria química, siendo los más importantes los destinados a productos sanitarios y tratamiento de aguas. Hubo un volumen de negocio de dos mil millones de dólares en el campo de las membranas sintéticas en todo el mundo en 2003.6 Las membranas de purificación de agua Los procesos de tratamiento de agua emplean varios tipos de membranas: membranas de microfiltración (MF), de ultrafiltración (UF), de nanofiltración (NF) y de ósmosis inversa (RO). Estas membranas están diseñadas para eliminar los materiales de un tamaño cada vez mayor. Las membranas de MF tienen el mayor tamaño de poro y suelen rechazar las partículas grandes y diversos microorganismos. Las membranas de UF tienen poros más pequeños que las membranas de MF y, por lo tanto, además de las partículas grandes y microorganismos, pueden rechazar bacterias y macromoléculas tales como las proteínas solubles. Las membranas de OI prácticamente carecen de poros y por lo tanto excluyen partículas e incluso muchas especies de baja masa molar como los iones de sal, sustancias orgánicas, etc.7 Las membranas de NF son relativamente nuevas y se llaman a veces membranas «sueltas» de ósmosis inversa. Son membranas porosas, pero dado que los poros tienen un tamaño de diez amgtrons o menos, su nivel de filtración se sitúa entre la capacidad de las membranas de RO y UF.8 Las membranas de RO y NF constituyen la tecnología dominante para la desalinización de agua.9 Las membranas de nanofiltración Las membranas de nanofiltración (NF) están compuestas generalmente de acetato de celulosa o de poliamidas aromáticas. Permiten la difusión de compuestos orgánicos, y rechazan algunas sales mediante la aplicación de bajas presiones. La nanofiltración, por sí sola, no puede purificar el agua del mar a estándares de agua potable, pero es un proceso que puede ser utilizado para producir agua ligeramente salada, o como técnica de ablandamiento de agua.2, 4 Cuando la nanofiltración se acopla con la osmosis inversa, entonces se puede utilizar para convertir el agua de mar en agua potable.10 Las membranas de nanofiltración —grupos de carboxilato, grupos de sulfonato, etc.— tienen generalmente cargas negativas y, en consecuencia, la repulsión de iones es un factor importante para producir el rechazo de la sal. Los iones con mayor carga, como el sulfato, tienen una probabilidad más alta de ser rechazados por una membrana de nanofiltración con carga negativa que los iones monovalentes, como el cloruro. En particular, las membranas de NF se usan para eliminar iones divalentes tales como el calcio y el magnesio, que son principalmente responsables de la dureza del agua. Estas membranas suelen mostrar también un buen rechazo de compuestos orgánicos con pesos moleculares por encima de 200 a 500 gramos.2, 11, 12 Las membranas de ósmosis inversa La ósmosis es un proceso natural en el que las moléculas de agua se mueven a través de una membrana semipermeable desde una zona de menor concentración de soluto a otra zona de mayor concentración. El agua fluye hasta que el equilibrio químico potencial del agua queda establecido. Cuando se alcanza el equilibrio, la diferencia de presión entre los dos lados de la membrana es igual a la presión osmótica de la solución.12 La ósmosis inversa (RO) es el proceso de forzar el agua a través de una membrana desde una región de alta concentración de soluto a una región de baja concentración del mismo mediante la aplicación de una presión mayor que la presión osmótica. Esto hace que la separación de agua de la solución se transforme en agua pura, pasando desde el lado de alta concentración al lado de baja concentración. El proceso de RO incluye una fuente de de alimentación que provea de agua al principio del tratamiento, una bomba de alta presión, módulos de membrana de ósmosis inversa y prevea las etapas posteriores al tratamiento. Las membranas de RO son capaces de rechazar iones monovalentes tales como el sodio y el cloruro, lo que convierte al proceso de RO en un valioso método de desalinización. Las membranas utilizadas para los procesos de ósmosis inversa producen rechazos de sal de más del 99%. Las membranas de RO no tienen poros diferenciados sino que se basan en el volumen libre dentro de una película de polímero. Las separaciones de la membrana de ósmosis inversa dependen en gran medida de las propiedades de la película de polímero, tales como la estructura química y física del material de la membrana. Las membranas de RO idóneas deben ser resistentes a las sustancias químicas y a los organismos microbianos, estables durante un largo tiempo tanto mecánica como estructuralmente, además de presentar propiedades ideales para la separación tales como un alto flujo de agua, un alto rechazo de sales y cloro, y deben ser resistentes a la suciedad (obstrucción de los poros de la membrana). Aproximadamente mil millones de entre los seis mil millones de personas que viven en el mundo se sitúan en zonas con escasez de agua, y la tecnología con membranas de ósmosis inversa es líder en tecnología de desalinización para superar el problema de la insuficiencia de agua potable. Además se prevee que continúe su liderazgo en el futuro cercano.13 Los científicos e ingenieros continúan investigando exhaustivamente en un desarrollo más eficiente de la tecnología con membranas de desalinización con objeto de abaratar la producción de agua potable. Por otro lado nos encontramos con las células, que también utilizan membranas, aunque los científicos no tratan de desarrollarlas, puesto que ya están diseñadas de una manera perfecta. Las membranas celulares tienen una estructura fosfolipídica con proteínas incrustadas. Son las que controlan los diferentes tipos de medios de transporte de sustancias dentro y fuera de las células, como, por ejemplo, el azúcar, los medicamentos e iones. Están tan bien diseñadas que reconocen qué sustancias son útiles o perjudiciales para la célula, y deciden qué sustancia dejan pasar basándose en ese conocimiento. Muchos investigadores han intentado innumerables veces durante muchos años producir una tecnología de membrana similar para la limpieza del agua. Pero las membranas celulares, que realizan cientos de funciones dentro de los organismos vivos, no han sido creadas al azar. Kamil Ezgin http://www.revistacascada.com/article/beber-agua-de-mar-las-membranas-polimericas-para-la-desalinizacion Referencias 1. R.F. Service, Freshwater resources, desalination freshens up. Science, (2006). 313, 1088- 1090. 2. L.F. Greenlee, D.F.Lawler, B.D. Freeman, B. Marrot, P. Moulin, Reverse osmosis desalination: Water sources, technology and today’s challenges. Water Research (2009), 43, 2317-2348. 3. T.J. Feeley, T.J. Skone, G.J.Stiegel, A. McNemar, M.Nemeth, B. Schimmoller, J.T. Murphy, L. Manfredo, Water: A critical resource in the thermoelectric power industry. Energy (2008), 33, 1-11. 4. G. A. Tularam, M. Ilahee, Environmental concerns of desalinating seawater using reverse osmosis. J. Environ. Monit.(2007), 9, 805–813. 5. P. Vandezande, L. E. M. Gevers, I. F. J. Vankelecom, Solvent resistant nanofiltration: separating on a molecular level. Chem. Soc. Rev. (2008), 37, 365–405. 6. M. Ulbricht, Advanced functional polymer membranes. Polymer (2006), 47, 2217–2262. 7. R.H. Perry, D.W.Green, Eds., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7ª edición, McGraw-Hill: New York, 1997. 8. Sagle, A., and B. Freeman, «Fundamentals of Membranes for Water Treatment,» en The Future of Desalination in Texas: Vol. 2, Nº de informe 363, Texas Water Development Board, Austin, TX, págs. 137-154 (2004). 9. H.B.Park, B.D.Freeman, Z.Zhang, M.Sankir, J.E.McGrath, Highly Chlorine- Tolerant Polymers for Desalination, Angew. Chem. Int. Ed. (2008), 47, 6019- 6024. 10. N. Hilal, H. Al-Zoubi, N. A. Darwish, A. W. Mohammad, M. Abu Arabi, A comprehensive review of nanofiltration membranes: Treatment, pretreatment, modelling, and atomic force microscopy, Desalination (2004), 170, 281-308. 11. A. Gorenflo, D. Velazquez-Padron, F.H. Frimmel, Nanofiltration of a German groundwater of high hardness and NOM content: performance and costs. Desalination (2002), 151, 253-265. 12. M.E.Williams, A Brief Review of Reverse Osmosis Membrane Technology, EET Corporation and Williams Engineering Services Company, Inc., Harriman, TN, 2003. 13. K. P. Lee, T. C. Arnot, D. Mattia, A Review of Reverse Osmosis Membrane Materials for Desalination – Development to Date and Future Potential. J. Membr. Sci. 370 (2011) 1-22 ¿Por qué crees que es importante el proceso de ósmosis en la célula? Fundamenta tu respuesta.
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Planificación: fundamento del método | |
En la fase de planificación debe pensarse primero el fundamento del método para resolver el problema planteado. En ocasiones también debe procederse a una modelización de la situación. Ello requiere que los estudiantes conceptualicen el problema y lo reformulen para decidir cuáles son las variables significativas que deberán ser medidas. Según la dificultad del problema planteado pueden recibir más o menos ayudas. | ¿Qué es un osmómetro? En un principio un osmómetro era un aparato que se empleaba para medir la presión osmótica entre una solución y un solvente: actualmente también se denomina osmómetro a los aparatos utilizados para determinar la osmolaridad de las soluciones, es decir, las concentraciones efectivas de solutos que causan la presión osmótica, algunos de los cuales no emplean medidas de presión osmótica sino otras propiedades que conducen a resultados más exactos. Actividad N°2
http://www.iespando.com/web/departamentos/biogeo/web/departamento/2BCH/PDFs/07Membranas.pdf Investiga y recopila información sobre membranas. |
Planificación: diseño del método de contrastación de la hipótesis | |
A continuación se debe diseñar el procedimiento de contrastación de hipótesis (sea o no experimental). En el caso de tratarse de una investigación que implique hallar una relación entre variables, los estudiantes con la ayuda del profesor o profesora deben decidir: ¿Cuál es la variable dependiente que han de considerar y cuál la variable independiente (la que se ha de variar)? ¿Cómo puede medirse la variable dependiente? ¿Cómo puede variarse y medirse la variable independiente y cuántas medidas deben realizarse, en el caso de que sea una variable continua? ¿Cuáles son las variables que se deben controlar, es decir, mantener constantes? ¿Con qué precisión deben realizarse las medidas? | Actividad N° 3 ¿A través de qué método experimental podrías comprobar la permeabilidad de una membrana? Para ello, deberás tener en cuenta: ¿qué materiales utilizarán? ¿Cuáles serán las variables? ¿Qué precauciones tomarán? ¿Cómo registrarán los datos? ¿Cómo desecharán los residuos? Para comenzar con tu diseño necesitarás: Unos huevos frescos. Vinagre. Frascos, Agua, sal fina, sal gruesa, azul de metileno, Vasos de plásticos, cucharitas, Balanza, una papa, regla, cuchillo. Ten presente que para eliminar la cáscara calcárea del huevo, deberán sumergirlo en un frasco con vinagre, si es posible, 24 horas como mínimo. Es necesario que la cáscara haya desaparecido por acción del ácido etanoico del vinagre. Si pasadas las 24 horas no ha desaparecido toda la cáscara, puedes dejarlo unas horas más. Deberán tener cuidado, ya que ahora el huevo es blando y es fácil que se rompa, se lava con agua, se seca con papel absorbente, se pesa y se anota la masa. Prueba con dejarlo sumergido en agua, también podrías probar dejarlo sumergido en sal gruesa, o en azul de metileno, para ver qué sucede. Como las mediciones se hacen cada muchas horas, el experimento puede durar varios días. Recuerden que deberán tomar el peso antes de comenzar y a cada intervalos de 12 horas como mínimo. Otra opción más sencilla, que también permite cuantificar el proceso, consiste en usar una papa. Las células de este tubérculo, sumergidas en líquidos de diferentes concentraciones también sufren el proceso de ósmosis. Esta vez, sin embargo, lo haremos midiendo la longitud de tiras de papa. Puesto que el proceso implica cambios de masa, éstos se verán reflejados también en cambios de volumen y, si se trata de tiras suficientemente delgadas, en cambios de longitud. Ten en cuenta que las tiras deben medir entre 5 y 7 cm y sección cuadrada de unos 3 mm x 3 mm. Hay que procurar tener 9 ó 12 de estas tiras de papa y procurar que sean de igual longitud. No es recomendable cortar tiras más delgadas, puesto que se tuercen, dificultando las medidas de longitud. Piensen y respondan: ¿Por qué es tan importante la membrana para las células? ¿Cuál es la función de la membrana? |
Realización del proceso de contrastación de hipótesis | |
La fase de realización puede implicar el montaje experimental, las medidas y el tratamiento numérico, gráfico o informático de los datos obtenidos. En el caso de una investigación no experimental, implica llevar a cabo el proceso de contrastación por observación, elaboración de encuestas, etc. | Actividad N°4 Es el momento de llevar a cabo el diseño experimental. Deberán registrar los datos obtenidos, los cuales pueden ser a través de un dibujo o foto de lo que observaron indicando las medidas o peso, pueden ayudarse con una tabla comparativa. Además del tipo de disolución que utilizaron, con los porcentajes correspondientes. Lo importante es realizar todas las anotaciones que crean necesarias, que luego ayudaran a interpretar y analizar los datos. |
Evaluación del resultado | |
La fase de evaluación comprende la valoración del resultado o resultados obtenidos y el análisis de su plausibilidad, comparando los resultados obtenidos por los diferentes grupos y con valores de la bibliografía. | Analicen los datos obtenidos a la luz de las siguientes preguntas: ¿Qué paso con el huevo que estaba sumergido en sal? ¿Por qué paso esto? ¿Qué paso con el peso del huevo? ¿Encontraron diferencias en las tiras de papas? ¿Podrías explicar por qué? ¿Todas las tiras de papa tienen la misma longitud? ¿Qué función cumplió el azul de metileno en el huevo? |
Comunicación de la investigación | |
La fase de comunicación implica la redacción de un informe y, siempre que sea posible, la comunicación oral de la investigación realizada. | Actividad N°5 Con los datos obtenidos de la investigación que ustedes mismos realizaron y los datos de lo observado, elaboren un informe escrito individual que contenga: ❖ Portada:(1ª hoja). Debe tener el título del informe, nombre del o los autores, institución a la que se presenta, y la fecha de presentación. ❖ Índice: (2ª hoja) Que esté detallado, mostrando el contenido del informe. ❖ Introducción: No más de 1 carilla, pueden sacarla de la página sugerida en la actividad 2. ❖ Desarrollo: en el cual incluirán el diseño experimental, (cuestionarios, el cuadro comparativo, todo lo investigado), el procedimiento del laboratorio, tratamiento de datos y análisis. ❖ Conclusiones: Una reflexión propia sobre el contenido trabajado y su relación con el articulo “Beber agua de mar: Las membranas poliméricas para la desalinización ” También pueden comentar cuales fueron las dificultades en la realización de la experiencia. ❖ Bibliografía: Detalle de los libros empleados, páginas de Internet, etc. Si es un libro: el título, autor, editorial, año, nº de páginas. |
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